Ανάπτυξη μεθόδων για την βελτιστοποίηση και τον ποιοτικό έλεγχο σύγχρονων τεχνικών βραχυθεραπείας

Abstract

High Dose Rate (HDR) brachytherapy is one of the most advanced and effective techniques in radiotherapy, achieving a high tumor-to-healthy-tissue dose ratio while minimizing radiation exposure to normal tissues. This is accomplished by placing radioactive sources within or near the tumor target and designing treatment plans based on three-dimensional imaging. However, clinical outcomes, both in terms of disease control probability and complication probability, are inextricably linked to dosimetric accuracy and require specialized quality assurance (QA) procedures to ensure treatment accuracy and safety. Specifically, for HDR brachytherapy applications involving remote afterloading of the source—which constitute the vast majority of clinical applications—quality checks such as the calibration certificate accuracy, source positioning in selected catheter/applicator locations, catheter/applicator length, irradiation time, and transit dose due to source movement between programmed positions (transit time) are performed using different methods. This increases the time required, workload, and necessary equipment.The purpose of this research was to develop a QA protocol based on pixel-segmented ionization chambers (PIXSICs) that would enable all QA tests (source calibration, source positioning, and irradiation time) to be performed in an integrated and unified manner. This would eliminate the need for multiple equipment items, reduce the time required to implement the QA program, and automate the process to ensure accuracy while reducing clinical workload.Initially, the detector used in the research consists of 1020 segmented ionization chambers (MatriXX Evolution, IBA Dosimetry, Schwarzenbruck, Germany), distributed in a 32×32 rectangular array with a surface area of 24.4×24.4 cm². It was calibrated in dose to water units per signal within the active volume of each chamber using a 6 MV photon beam from an Elekta Versa HD linear accelerator. For the calculation of the air-kerma strength (Sk) of the source, the desired calibration coefficient (in units of air-kerma strength per PIXSIC signal) was determined through Monte Carlo (MC) simulations and a PIXSIC simulation model. After calibration, Sk was determined through irradiations using a specialized catheter-holding setup, placing the source in a stationary position at the center of the detector at six different distances from its surface (z = 1, 2, 3, 4, 5, and 6 cm). Experimental and MC dose distributions were fitted using 2D Lorentzian functions, and source position corrections were applied based on the deviation between experimental and MC distributions. To verify source position and irradiation time, six irradiations were performed at multiple source positions with various step sizes, dwell times, frame times, and distances (z). The experimental source position was determined from the center of the 2D Lorentzian distribution applied, while the dwell time was calculated from the number of frames. Experimental step sizes were derived from the difference between successive source position centers. Experimental results for source position and irradiation time deviations were less than 1 mm and 0.2 s, respectively. Sk, limited to the central 14×14 pixels of the detector (10×10 cm²), varied within 1.2% of the nominal value, with an uncertainty of approximately 1.4% (k=1). This uncertainty is comparable to that of clinically employed well-type ionization chambers (1.4%, k=1).

Η βραχυθεραπεία υψηλού ρυθμού δόσης (High Dose Rate - HDR) αποτελεί μία από τις πιο εξελιγμένες και αποτελεσματικές τεχνικές στην ακτινοθεραπεία, εξασφαλίζοντας την επίτευξη υψηλού λόγου δόσης όγκου-στόχου προς δόση υγιών ιστών, και περιορισμού του φυσιολογικού ιστού που ακτινοβολείται, μέσω της τοποθέτησης ραδιενεργών πηγών εντός ή πλησίον του όγκου-στόχου και του σχεδιασμού της θεραπείας βάσει τρισδιάστατης απεικόνισης. Ωστόσο, το κλινικό αποτέλεσμα, σε όρους τόσο πιθανότητας ελέγχου της νόσου όσο και πιθανότητας επιπλοκών, συνδέεται άρρηκτα με τη δοσιμετρική ακρίβεια και απαιτεί εξειδικευμένες διαδικασίες ελέγχου ποιότητας (QA) για τη διασφάλιση της ακρίβειας και της ασφάλειας των θεραπειών. Ειδικότερα, για εφαρμογές βραχυθεραπείας υψηλού ρυθμού δόσης με αυτόματη μεταφόρτωση της πηγής, οι οποίες συνιστούν τη συντριπτική πλειοψηφία κλινικών εφαρμογών, οι έλεγχοι της ακρίβειας του πιστοποιητικού βαθμονόμησης που συνοδεύει την πηγή, της τοποθέτησης της πηγής σε επιλεγμένη θέση καθετήρα/εφαρμογέα, του μήκους καθετήρα/εφαρμογέα, του χρονομέτρου ακτινοβόλησης, της δόσης λόγω διέλευσης της πηγής μεταξύ των προγραμματισμένων θέσεων (transit time), πραγματοποιούνται με διαφορετικές μεθόδους αυξάνοντας έτσι τον χρόνο διεξαγωγής, τον φόρτο εργασίας, και τον απαραίτητο εξοπλισμό. Σκοπό της παρούσας έρευνας αποτέλεσε η διαμόρφωση μιας δοκιμασίας ποιοτικού ελέγχου βασισμένης σε τμηματοποιημένους θαλάμους ιονισμού (pixel segmented ionization chambers - PIXSICs) η οποία θα επιτρέπει την εκπόνηση όλων των δοκιμασιών ελέγχου ποιότητας (βαθμονόμηση πηγής, θέση πηγής, χρόνου ακτινοβόλησης), θα είναι ενιαία/ολοκληρωμένη (μια ακτινοβόληση για το σύνολο των ελέγχων), ώστε να αποφευχθεί η ανάγκη πολλαπλών στοιχείων εξοπλισμού και να μειωθεί ο απαιτούμενος χρόνος υλοποίησης του προγράμματος διασφάλισης ποιότητας, και θα είναι αυτοματοποιημένη ώστε να διασφαλίζεται η ακρίβεια και να περιοριστεί ο κλινικός φόρτος εργασίας. Αρχικά, ο ανιχνευτής που χρησιμοποιείται στην έρευνα αποτελείται από 1020 τμηματοποιημένους θαλάμους ιονισμού (MatriXX Evolution, IBA Dosimetry, Schwarzenbruck, Germany), όπου κατανέμονται 32×32 στοιχεία σε ορθογώνιο πίνακα με επιφάνεια 24.4×24.4 cm², και βαθμονομήθηκε σε μονάδες δόσης στο νερό ανά σήμα στον ενεργό όγκο του κάθε θαλάμου με δέσμη φωτονίων 6MV γραμμικού επιταχυντή Elekta Versa HD. Για τον υπολογισμό της ισχύος air kerma (Sk) της πηγής, ο επιθυμητός συντελεστής βαθμονόμησης, που είναι σε μονάδες air kerma πηγής 192Ir ανά σήμα στο PIXSIC, προσδιορίζεται με την βοήθεια Monte Carlo (MC) υπολογισμών και χρήση μοντέλου προσομοίωσης του PIXSIC. Μετά την βαθμονόμηση, για τον καθορισμό του Sk, διεξήχθησαν ακτινοβολήσεις με χρήση ειδικής διάταξης συγκράτησης του καθετήρα, τοποθετώντας την πηγή σε ακίνητη θέση στο κέντρο του ανιχνευτή και σε 6 διαφορετικές αποστάσεις από την επιφάνειά του (z = 1, 2, 3, 4, 5 και 6 cm). Στις πειραματικές και MC κατανομές δόσης που προέκυψαν, εφαρμόστηκαν 2D Lorentz συναρτήσεις και πραγματοποιήθηκε διόρθωση θέσης της πηγής λόγω απόκλισης πειραματικής και MC κατανομής. Για την επιβεβαίωση της θέσης και του χρόνου ακτινοβόλησης της πηγής διεξήχθησαν 6 ακτινοβολήσεις πολλαπλών θέσεων της πηγής για διάφορα βήματα μετατόπισης (step sizes) της πηγής, χρόνους παραμονής, χρόνους δειγματοληψίας ανά καρέ (frame time) και αποστάσεις z. Το κέντρο της πειραματικής θέσης της πηγής προσδιορίστηκε από το κέντρο της 2D Lorentz κατανομής που εφαρμόστηκε, ενώ ο χρόνος παραμονής υπολογίστηκε από τον αριθμό των frames. Από τα πειραματικά κέντρα της πηγής σε κάθε θέση υπολογίστηκαν τα πειραματικά step sizes από την διαφορά των διαδοχικών κέντρων. Τα πειραματικά αποτελέσματα της θέσης και του χρόνου ακτινοβόλησης της πηγής παρουσιάζουν απόκλιση μικρότερη από 1 mm και 0.2 s, αντίστοιχα. Το Sk, περιορίζοντας τα αποτελέσματα στα κεντρικά 14x14 pixels του ανιχνευτή (10x10 cm²), κυμαίνεται εντός του 1.2 % σε σχέση με την ονομαστική τιμή, με αβεβαιότητα της τάξης του 1.4 % (k=1). Αυτή η αβεβαιότητα είναι συγκρίσιμη με την αβεβαιότητα των θαλάμων ιονισμού τύπου φρέατος (1.4%, k=1) που χρησιμοποιούνται κλινικά.